Le CSEM a développé NRGMaestro, un logiciel intelligent capable de gérer et de programmer la production et l'utilisation d'énergies renouvelables pour tout un quartier./Shuttershock

A Neuchâtel, le savoir-faire horloger comme levier de l'informatique durable

Vice-président de la division Systèmes intégrés et sans fil du Centre Suisse d’Électronique et de Microtechnique (CSEM) de Neuchâtel, Alain-Serge Porret dispose cinq appareils de plus en plus petits sur une table. Ce sont des caméras. Et si la première ressemble à celles qui servent à la sécurité des bâtiments, la dernière a plutôt l’apparence d’une puce électronique. Avec cependant la même capacité de capture d’images que la première.

L’ADN de la frugalité

Cette miniaturisation, c’est l’ADN du CSEM, créé en 1984 en fusionnant le Centre électronique horloger et le Laboratoire suisse de recherches horlogères, pour doter l’horlogerie helvétique d’un centre de recherche mutualisé et privé. Mais cet ADN a un deuxième brin: la basse consommation. La caméra que montre Alain-Serge Porret ne consomme presque pas d’électricité.

Trouver des moyens économes d’alimenter en énergie des montres est une obsession aussi ancienne que l’horlogerie suisse. «Cela va de pair avec la miniaturisation», explique Alain-Serge Porret. «Plus un dispositif est petit, moins il demande de matière et moins il demande d’énergie. Mais pour récolter plus d’information, il faut plus d’optimisation, surtout si vous voulez que ce circuit soit sans fil.»

Le CSEM s’est ainsi spécialisé dans les puces à basse tension. Cela lui a ouvert progressivement toutes sortes d’autres applications ou l’alimentation est critique et l’électricité des batteries précieuse. Des technologies médicales aux objets intelligents de l’industrie 4.0, en passant les capteurs embarqués.

Record mondial

Il y a deux ans, le CSEM a même battu un record mondial de basse consommation pour un processeur. Fruit d’une collaboration avec United Semiconductor Japan Co (USJC, ex Fujitsu Semiconductor), ce développement vient d’aboutir à la création d’un circuit complet qui augmente par entre trois et dix l’autonomie d’objets électroniques suivant leurs usages.

Ce type d’avancée technologique est régulièrement utilisé dans des collaborations industrielles suisses, car la basse consommation y est depuis longtemps une spécialité, notamment dans le domaine horloger ou la micro-électronique. Si vous avez cherché dans l’urgence une prise pour recharger votre smartphone, vous voyez tout de suite l’intérêt d’économiser l’électricité d’un objet portable. Mais les enjeux vont beaucoup plus loin que cela. La basse consommation est un pilier de l’informatique durable.

Le nouveau system-on-chip du CSEM est l’équivalent d’un ordinateur dans une puce d’un centimètre carré. Il comprend:

  • un convertisseur analogique-numérique pour transformer les informations du monde physique recueillies par les capteurs en données numériques,

  • un processeur pour traiter ces informations,

  • une mémoire pour les stocker,

  • une radio Bluetooth Low Energy pour les communiquer,

  • un circuit pour gérer les différences d’alimentation électrique

  • et enfin un bloc spécial, développé par le CSEM et appelé Adaptive Body Biasing (ABB), qui permet au circuit de fonctionner efficacement à tous les modes (marche, veille et arrêt) en minimisant les fuites d'énergie lorsque le processeur ne fonctionne pas.

Ce dispositif ultra économe en énergie se contente ainsi de très basses tensions allant de 0,5 à 0,8 volt. C’est tellement bas qu’il est même envisageable de l’alimenter non pas avec une batterie, mais avec un micro panneau photovoltaïque, voire avec des dispositifs qui récoltent de l’électricité dans les vibrations du sol ou les ondes radios ambiantes.

La capacité de ce nouveau circuit à avoir une très grande autonomie, voire à pouvoir se passer de l’alimentation du secteur ou de batteries, en fait un bon candidat à des applications dans des implants médicaux comme les prothèses auditives ou des objets d’électronique grand public telles les oreillettes Bluetooth. Mais il place aussi le CSEM sur une tendance de fond. Alain-Serge Porret: «Si, pendant longtemps, seule la vitesse et les performances dominaient dans la conception des puces électroniques, leur efficacité énergétique devient un critère de plus en plus important.»

Philippe Dallemagne, responsable au CSEM de la section Système sans fil embarqué, renchérit: «Avec les ordinateurs portables, puis les smartphones et les tablettes, chacun a en effet pris conscience des problèmes d'alimentation électrique. Et à l’échelle de l’internet des objets, c’est encore plus le cas.»

Une tendance de fond

Si les technologies de l’information ne pèsent, via leur consommation électrique essentiellement, encore qu’environ 4% des émissions mondiales de gaz à effet de serre, leur phénoménale croissance inquiète aussi les Etats au moment où ceux-ci prennent des engagements de réduction de ces émissions. Fin 2016, la Californie est ainsi devenue le premier territoire à approuver des limites d'efficacité énergétique pour les ordinateurs. Elle a depuis été suivie par le Colorado, Hawaï, l'Oregon, le Vermont ou l’Etat de Washington. Dell vient d’en faire les frais. Le géant informatique s’est vu refuser l’autorisation de vendre des consoles de jeux particulièrement énergivores dans ces Etats.

Au-delà des consoles de jeux ou des PC, la multiplication des puces électroniques dans presque tout, du cockpit des voitures aux capteurs d’environnement — ce que l’on appelle l’internet des objets, ou IoT —, fait aussi de la consommation électrique un sujet critique. En février 2019, un rapport de Cisco indiquait que les connexions de l’internet des objets (des capteurs et des actuateurs pour l’essentiel) représenteraient plus de la moitié de celles de tous les appareils connectés en 2022. Et l’IoT représentera plus de 6% du trafic internet mondial en 2022, contre 3% en 2017.

Bien sûr, beaucoup de ces objets connectés consomment peu et nombre eux d’entre eux sont utilisés pour diminuer la consommation d’énergie, comme les thermostats intelligents de type Nest et autres détecteurs de mouvement qui éteignent les lumières d’une pièce vide. Le CSEM a développé NRGMaestro, un logiciel qui permet de gérer et de programmer la production et l'utilisation d'énergies renouvelables d’un quartier à partir des données recueillies par des capteurs, tant au niveau de la production que de la consommation.

Reste que ces objets connectés font partie d’une infrastructure plus large. Et leur gigantesque collecte de données utilise aussi de l’énergie pour être communiquée et stockées dans des datacenters. Leur empreinte carbone va donc très au-delà de la seule consommation des capteurs et autres contrôleurs en bout de réseau, surtout si l’on ajoute en plus celle liée à leur fabrication et leur recyclage.

La périphérie devient le centre

Ce dernier constat est à l’origine d’un virage stratégique pris par le CSEM il y a quelques années. Cette fois, il ne s’agit plus seulement de la consommation des circuits électroniques, mais de l’architecture-même des systèmes d’information. On appelle cette nouvelle architecture le edge computing, ou informatique en périphérie. «L’idée est de ne pas transmettre toutes les données recueillies par les capteurs, mais de prendre des décisions localement afin d’éviter d’encombrer les réseaux et les datacenters», explique Philippe Dallemagne.

Le edge computing consiste ainsi à traiter localement les informations collectées, par exemple par des capteurs, plutôt que d’envoyer toutes les données vers les serveurs du cloud. «Il n’est pas nécessaire d’envoyer de grandes quantités de données quand on mesure quelque chose, écoute quelque chose ou qu’on prend une image localement pour décider localement d’une action. Ce qui intéresse, c’est l’événement: la chute d’une personne âgée pour prévenir la personne qui l’aide, le niveau d’un cours d’eau annonciateur de crue, l’apparition de symptômes d’une maladie chez des animaux d’élevage», reprend Alain-Serge Porret. «Et puis il y a aussi la question centrale de la protection de la vie privée avec cette collecte massive de données que permet l’internet des objets.»

Effectivement, des puces peuvent aujourd’hui détecter un visage ou la présence de personnes dans une pièce pour localement déclencher une action comme adapter le chauffage. Des outils comme Siri ou Alexa peuvent allumer la télé ou la lumière en détectant un mot. Le problème est qu’ils envoient tout sur le cloud. «Donc en fait, ils vous écoutent à la maison alors que la détection d’un ou deux mots n’a pas besoin d’être traités dans une centrale», explique Alain-Serge Porret.

L’envoi de ces données a aussi un coût écologique en termes de bande-passante. Envoyer le résumé d’une information est plus économe que transmettre toute l’information, même si le traitement local demande aussi de l’énergie. Enfin, il n’est pas toujours possible d’être connecté au réseau électrique. «La demande aujourd’hui est pour des capteurs sans fil», affirme Alain-Serge Porret. On retrouve ici la basse consommation, mais aussi de plus en plus la miniaturisation de l’intelligence logicielle.

Puces recyclables et maintenance prédictive

«Le CSEM est devenu un spécialiste de toute la chaîne de l’information, de la capture des données jusqu’à son traitement, pas sur des serveurs mais localement, sur les puces en périphérie. Cela demande beaucoup de développement logiciel qui représente aujourd’hui 30% de notre activité», explique Alain-Serge Porret.

D’autres pistes s’ouvrent aussi au CSEM pour rendre l’électronique plus respectueuse de l’environnement, comme des capteurs électroniques recyclables ou biodégradables développés en collaboration avec l’EMPA et l’EPFL. «Il ne faut pas perdre de vue que ces capteurs servent aussi à faciliter la transition énergétique, par exemple en optimisant la maintenance des parcs solaires ou d’éoliennes, ou en augmentant la durée de vie de machines avec la maintenance prédictive. Et cela sert aussi à éviter le gaspillage de ressources précieuses comme l’eau comme. Nous l’avons fait dans le cadre d’une collaboration avec Hinni pour leur bornes hydrantes. Cela permet de détecter et repérer précisément les fuites avec moins d’impact lors des réparations», conclut Alain-Serge Porret.

Dans le prochain épisode, nous montrerons en quoi l’intelligence artificielle peut être un outil précieux au service de l’environnement.

  • Cette Exploration a été réalisée avec le soutien de alp ict, CleantechAlps et OPI.